Актуальность темы. Современные военно-воздушные силы оснащены высокоэффективными летательными аппаратами (ЛА), позволяющими решать широкий круг сложных, непрерывно усложняющихся и расширяющихся боевых задач. Это обуславливает необходимость непрерывного совершенствования как самих ЛА, так и их бортового, в первую очередь - электроэнергетического оборудования. В свою очередь, последнее приводит к росту числа и мощности бортовых источников, преобразователей, регуляторов и потребителей электрической энергии, повышению требований к надежности электроснабжения ЛА электроэнергией высокого качества постоянным и переменным токами.

На современных тяжелых самолетах установленная мощность бортовых источников электроэнергии достигает 300… 500 кВ А, а качество и надежность функционирования систем электроснабжения в значительной степени влияет на безопасность полетов и выполнение полетного задания.

Однако вместе с ростом мощностей и количества авиационных генераторов переменного тока в ЛА появились, как неминуемое следствие, в подобных случаях, не менее серьезные проблемы, основной из которых является проблема синхронизации параллельно работающих синхронных генераторов (СГ). В настоящее время подобная синхронизация осуществляется методом автоматической синхронизации параллельно работающих синхронных генераторов, что естественно имеет затяжной характер и ощутимые скачки тока и напряжения в период синхронизации.

В настоящей работе предлагается отличный от принятого, более эффективный и непрерывно работающий способ синхронизации параллельно работающих авиационных СГ, с одновременным исключением из системы электроснабжения ЛА малонадежных генераторов постоянного тока и разработкой соответствующих индукционных регуляторов и фазорегуляторов.

Реализация подобного технического решения в силу своей новизны и важности для совершенствования систем электроснабжения (СЭС) самолетов является предметом самостоятельных и серьезных исследований, чему и посвящена настоящая работа.

Цель работы. Целью работы является разработка и математическое моделирование аксиальных индукционных и фазо-регуляторов, а также аксиальных многофазных трансформаторов с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками для совершенствования системы электроснабжения летательных аппаратов.

Задача исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

- обоснована целесообразность и показана перспективность разработки для СЭС ЛА аксиальных индукционных регуляторов (АИР) и аксиальных фазорегуляторов (АФР) взамен широко распространенных регуляторов радиальной конструкции;

- выявлены недостатки существующих способов и технических средств обеспечения синхронизации параллельно работающих авиационных синхронных генераторов в СЭС ЛА;

- обоснована возможность и схемно разработана новая система электроснабжения ЛА постоянным током на базе разработанных аксиальных многофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем (АМТВП);

- разработаны инженерная методика расчета и конструкции АИР и АФР;

- выполнено математическое моделирование электромагнитных и электромеханических переходных процессов в АФР и АИР.

Методы исследования. В теоретических исследованиях автором использована теория обобщенного электромеханического преобразователя энергии, аппарата матричного анализа электрических машин (ЭМ), теория электромагнитного поля и метод синтеза ЭМ. Поставленные задачи решены аналитическим и экспериментальным методами с использованием, в необходимых случаях, теории матриц и функционального анализа, метода решения систем нелинейных алгебраических уравнений, систем обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, интегральных уравнений, теории планирования эксперимента в электромеханике.

Научная новизна. В работе решен комплекс теоретических вопросов построения системы электроснабжения ЛА на базе параллельно работающих синхронных генераторов (СГ), а именно:

- обоснована целесообразность и эффективность применения АФР для синхронизации параллельно работающих СГ;

- разработана математическая модель электромагнитных и электро - механических переходных процессов в аксиальных многофазных трансформаторах с вращающимся магнитным полем АМТВП;

- разработаны основы теории и ряд конструкций аксиальных индукционных и фазорегуляторов и АМТВП для совершенствования системы электроснабжения ЛА;

- обоснована возможность и разработана система электроснабжения ЛА постоянным током на базе разработанных АМТВП.

Практическая значимость. Работа имеет прикладной характер и решает задачу повышения эффективности синхронизации параллельно работающих синхронных авиационных генераторов, а также повышения надежности системы постоянного тока В связи с этим в работе поставлены и решены следующие практические вопросы:

- выполнен анализ существующих систем авиационного электроснабжения на базе параллельно работающих синхронных генераторов;

- разработан способ синхронизации параллельно работающих СГ с помощью АФР;

аксиальный многофазный трансформатор летательный аппарат

- выявлены особенности и разработана методика расчета АИР и, как общего случая - сдвоенной конструкции (САИР);

- разработан ряда конструкций АИР и САИР, АФР и АМТВП, выгодно отличающихся от широко распространенных в практике аналогичных устройств;

- предложена электрическая схема системы электроснабжения переменным и постоянным токами тяжелого самолета военно-транспортной авиации на основе использования разработанных устройств;

- разработана принципиально новая схема синхронизации авиационных СГ на основе использования АФР.

Реализация результатов работы: научные и практические результаты работы использованы на Краснодарском авиаремонтном заводе при испытаниях и ремонте электрооборудования ЛА, в учебном процессе по курсу "Авиационная электротехника" в Краснодарском высшем военном авиационном училище летчиков (КВВАУЛ), в учебном процессе по курсам "Электрические машины" и "Электромеханика" в Кубанском государственном технологическом университете (КубГТУ).

Автор защищает:

- способ синхронизации параллельно работающих синхронных бортовых генераторов ЛА с помощью АФР;

- рациональную конструкцию и инженерную методику расчета АИР, САИР, АФР и АМТВП для систем электроснабжения ЛА;

- математические модели электромагнитных и электромеханических переходных процессов указанных ЭМПЭ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на третьей межвузовской научной конференции "Электромеханические преобразователи энергии - ЭМПЭ-04" (Краснодар, Кубанский государственный аграрный университет, 2004г.), на четвертой межвузовской конференции "Энерго - и ресурсосберегающие технологии и установки - ЮРНК-05" (Краснодар, Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков, 2005г.), на заседании кафедры Физики и Электротехники Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков (Краснодар, 2006г.), на заседании кафедры Электротехники Кубанского государственного технологического университета (Краснодар, 2006 г), на Всероссийской межвузовской конференции "Электромеханические преобразователи энергии ЭМПЭ-07".

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ. В диссертационной работе использованы 10 патентов РФ, полученных научным руководителем д. т. н. проф. Гайтовым Б.Х. с учениками.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из ведения, четырех глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и приложения. Общий объем работы 154 страницы машинописного текста, включая 42 рис. на 31 страницах, 2 таблиц и 2 приложений.

Краткое содержание работы

В первом разделе приведены общие сведения о структурах и режимах работы СЭС современных отечественных и зарубежных ЛА, дан критический анализ этих структур и описаны различные возможные режимы работы СЭС ЛА,. обоснованы принципы организации и перспективы развития СЭС ЛА, сформулированы научные подходы к режимам работы и совершенствованию бортовых СЭС современных ЛА, описаны перспективные направления дальнейшего совершенствования СЭС ЛА.

Приведены особенности СЭС современных ЛА ВВС стран НАТО, основанных на использовании бесконтактных синхронных генераторов с вращающимися выпрямителями (подобные отечественным генераторам серии ГТ) с масляно-распылительной системой охлаждения. Описаны сведения и особенности построения СЭС и ее отдельных элементов, включая аварийные источники электроэнергии.

Приведены особенности эксплуатации войскового и капитального ремонтов СЭС ЛА. Выполнен анализ отказов в СЭС ЛА, выявлен их характер и показано, что на их долю приходится в среднем 8 % от общего числа отказов ЛА. Выполнено графическое представление с указанием количественной оценки конкретного вида отказа авиационных электрических машин (АЭМ) и элементов систем распределения энергии. Количественная картина распределения неисправностей ЛА военного назначения представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Количественная картина распределения неисправностей в современных отечественных ЛА военного назначения: АЭМ - авиационные электрические машины; ЭСРЭ - элементы системы распределения энергии; РН - регуляторы напряжения; АЗ и У - автоматы защиты и управления; ВСРЭ - выключатели систем распределения электроэнергии.

В настоящей работе поставлена задача изучить более глубоко и предложить вариант научного решения вопроса синхронизации по фазе и равномерности по загрузке отдельных каналов многоканальных СЭС ЛА.

Поставленная цель достигнута путем использования аксиальных индукционных и фазорегуляторов (в том числе и сдвоенной конструкции), разработанных на уровне изобретений Заслуженным деятелем науки и техники РФ, д. т. н., профессором, Гайтовым Б.Х. Особенностью и достоинством данных регуляторов является максимальное использование в них принципа магнитного наложения с целью минимизации массы и габаритов, что особенно важно для ЛА.

Во втором разделе приведены общие сведения и дан критический анализ конструкций и режимов работы известных (радиальной конструкции) индукционных и фазорегуляторов. Предложены новые аксиальные конструкции, выполненные на уровне изобретений индукционных и фазо-регуляторов для совершенствования систем электроснабжения летательных аппаратов (Рис.2). АФР состоит из статора 5 с первичной трехфазной обмоткой 6, ротора 3 с трехфазной обмоткой 4 и корпуса 7. Самотормозящаяся червячная передача, состоящая из винтового колеса 1 и червяка 2. Вал 8 винтового колеса закреплен в подшипниковых узлах 9 и 11 и жестко связан с ротором посредством диска 10.

Рисунок 2 - Конструкция аксиального фазорегулятора

На рисунке 3 представлена принципиальная электрическая схема АИР

Рисунок 3 - Принципиальная электрическая схема АИР

На рис.4 представлена принципиальная схема синхронизации генераторов тяжелого самолета военно-транспортной авиации, имеющего четыре основных синхронных генератора и два генератора (постоянного и переменного тока), питаемых от вспомогательной силовой установки с помощью АФР.

Рисунок 4 - Принципиальная электрическая схема синхронизации генератора тяжёлого военно-транспортного самолёта. СГ-1, …, СГ-4 - синхронные генераторы ЛА; ОВ-1, …, ОВ-4 - обмотки возбуждения этих генераторов; АФР - аксиальный фазорегулятор; КК - контактные кольца фазорегулятора; УКФ - устройство коррекции фазы; СГ-ВСУ - синхронный генератор вспомогательной силовой установки.

Подробно изучены переходные режимы разработанных индукционных регуляторов аксиального типа. Обоснован и реализован переход к сдвоенным аксиальным индукционным регуляторам, выполнено преобразование их матричной модели к комплексному виду удобному для их дальнейших исследований. Уравнения напряжений индукционного регулятора в матричной форме имеют следующий вид:

;(1)

.(2)

Определители матриц (1) и (2) сопротивлений удобно отыскать по правилу Саррюса, приписав к ним справа два первых их столбца.

Решениями относительно изображений фазных токов матричных уравнений (1) и (2) являются выражения:

(3)

(4)

Решение полученных выражений токов по (3) и (4) для индукционных регуляторов не представляет труда с использованием одной из современных систем моделирования.

Описанный выше ИР обладает существенным недостатком. Помимо изменения напряжения изменяется фаза выходного напряжения, что неприемлемо при использовании в бортовой сети ЛА. Кроме того такой регулятор создает большой некомпенсированный электромагнитный момент на роторе. Этих недостатков лишена конструкция САИР, в которой имеются две вторичные обмотки, поворачивающиеся относительно статора в противоположные стороны на одинаковые углы. Электрическая схема САИР представлена на рис.5

Рисунок 5 - Принципиальная электрическая схема САИР

В результате смещение фазы отсутствует, а электромагнитный момент вторичных обмоток взаимно компенсируется. Следовательно, электромагнитный момент отсутствует. Сдвоенный аксиальный индукционный регулятор представляет собой совокупность двух одиночных регуляторов, построенных на базе аксиальных асинхронных двигателей (ААД) с фазными роторами. Конструктивное исполнение САИР на базе двух АД аксиального типа допускают выполнение их практически без воздушного зазора между статором и ротором каждого АД, что выгодно отличает их в энергетическом отношении от регуляторов обычной конструкции. С целью решения поставленной в данной работе задачи запишем в матричной форме операторные уравнения электрически соединенных между собой на взаимно обратный порядок чередования фаз (как сказано выше) двух аксиальных асинхронных двигателей с фазными роторами,

первый ААД:

;(5)

второй ААД (сопряженный):

,(6)

где - первичные напряжения каждого из двух индукционных регуляторов, составляющие, по существу, напряжение источника питания;

- вторичные напряжения этих же регуляторов;

- активные сопротивления первичных обмоток САИР;

- активные сопротивления вторичных обмоток САИР;

- индуктивные сопротивления первичных обмоток;

- индуктивные сопротивления вторичных обмоток;

- первичные (статорные) токи САИР;

- вторичные (роторные) токи САИР.

В работе разработана конструкция аксиального многофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем (АМТВП) с целью совершенствования современных систем постоянного тока на ЛА, осуществляемых с использованием генераторов постоянного тока. Показано, что подобные АМТВП в совокупности с многофазным двухполупериодным выпрямителем с успехом могут заменить используемые в настоящее время малонадёжные, дорогие и металлоёмкие генераторы постоянного тока.

Основными элементами АМТВП являются (см. рис.6): внутренние аксиальные магнитопроводы 1 и 2, имеющие по две активные торцовые поверхности 3, 4, 11 и 12 с пазами, внутренние (9,10) и боковые (13, 14) магнитопроводы, имеющие по одной активной торцовой поверхности 15, 16, 17 и 18 с пазами.

Количество магнитопроводов с первичными обмотками и со вторичными обмотками определяется числом фаз выходного напряжения АМТВП и числом фаз вторичных обмоток соотношениями .

Рисунок 6 - Общий вид аксиального многофазного (m = 12) трансформатора с вращающимся магнитным полем

Применение разработанных АМТВП позволяет существенно снизить коэффициент пульсации выпрямленного напряжения, приближая его к напряжению генераторов постоянного тока без каких-либо фильтров. Схема выпрямления выходного напряжения при использовании 9-фазного АМТВП, собранного на двух магнитопроводах, представлена на рис.7.

Рисунок 7 - Электрическая схема девятифазного АМТВП с двухполупериодным выпрямительным мостом

При повышении числа фаз выходной обмотки трансформатора коэффициент пульсаций соответственно снижается, так как среднее значение выпрямленного напряжения при этом возрастает. , где - число фаз выходной (вторичной) обмотки многофазного трансформатора. Заметим, что число фаз выходного напряжения АМТВП не зависит от числа фаз первичной обмотки, что делает данный принцип умножения фаз универсальным и необыкновенно простым, а конструкция АМТВП имеет высокие значения энергетического показателя - и высокую надёжность работы, свойственную всем электромагнитным устройствам трансформаторного типа. Отметим, что ни один генератор постоянного тока равной мощности (даже с учётом того обстоятельства, что его ) не может обеспечить столь высокий энергетический показатель, не говоря уже о невысокой надёжности его работы, связанной с наличием щёточно-коллекторного узла.

В третьем разделе выполнен анализ различных методов исследования переходных процессов аксиальных электромагнитных устройств с целью обоснованного выбора наиболее приемлемого из них. На рис.8 представлено суммарное правобегущее магнитное поле девятифазного АМТВП. Сумма лево бегущих полей:

.(7)

Используя вышеприведенные аналитическую и графическую методики получения вращающегося магнитного поля, можно получить вращающееся поле "m" фазных аксиальных ТВП и других подобных электромагнитных устройств со сдвигом фаз, в общем случае, б = 2р/m.

Рисунок 8 - Суммарное правобегущее магнитное поле девятифазного АМТВП

При этом результирующее правобегущее магнитное поле будет иметь вид:

.(8)

Построена базовая математическая модель ТВП-3/9 в заторможенной трехфазной системе координат б - в - г, к которой приведены все фазы и их параметры по первичной (трехфазной) и вторичной (девятифазной) стороны ТВП-3/9. Пространственная электрическая модель ТВП - 3/9 в непреобразованной (естественной) системе координат представлена на рис.9 Для случая исследования трехфазных электромагнитных объектов выбор трехфазной системы координат означает построение естественной математической модели, а следовательно - получение реальных результатов, минуя прямое и обратное преобразования координат при заметном повышении точности результатов.

Рисунок 9 - Пространственная электрическая модель ТВП - 3/9 в непреобразованной (естественной) системе координат: ? - угол между осями первичной - А и вторичной - 1 осями обмоток; щ₁ = d?/dt - относительная угловая скорость вращения магнитного поля; ±б - угол поворота индукционного и фазорегулятора (для ТВП - 3/9 б=0).

Здесь обозначено:

- фазные напряжения трехфазной первичной цепи;

- число витков фаз первичной цепи;

- фазные напряжения девятифазной вторичной цепи;

- число витков фаз вторичной цепи;

В принятой индексации верхний индекс указывает на первичную (индекс - s) или вторичную (индекс - r) стороны ТВП - 3/9, а нижний - на порядок данной фазы в пределах первичной или вторичной стороны трансформатора.

- потокосцепления фаз вторичной стороны ТВП - 3/9.

- потокосцепления фаз первичной стороны ТВП.

Правильный выбор системы координат определяет сложность получаемых дифференциальных уравнений, следовательно трудоемкость их решений и точность получаемых результатов. Двукратные преобразования уравнений соизмеримы по трудоемкости с масштабом упрощения модели до двухфазной. Поэтому нецелесообразен выбор двухфазной системы координат в случае исследования трехфазных электромагнитных объектов.

Дифференциальные уравнения напряжений ТВП - 3/9 при этом имеют вид:

(9)

Преобразуем уравнения напряжений ТВП-3/9) для непреобразованной системы координат (А - В - С и 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9) к уравнениям в преобразованной системе координат б - в - г. При этом учтем, что в симметричном трансформаторе и

С учетом этого обстоятельства получим:

(10)

потокосцепления определяются выражениями:

(11)

В (11) учтено, что индуктивности фаз статора и ротора по осям б - в - г равны между собой (отдельно по статору и отдельно по ротору), т.е. и, все взаимные индуктивности приняты равными между собой.

Получено выражение электромагнитной энергии, сосредоточенной в ТВП-3/9. Электромагнитная энергия, сконцентрированная в этом условном воздушном зазоре, определяется выражением:

,(12)

где i = 1, 2, 3,…N - число контуров с током (обмоток) трансформатора.

(13)

где р - число пар полюсов первичной обмотки ТВП-3/9;

W_эм-электромагнитная энергия, сосредоточенная в ТВП.

(14)

подставив выражение (14) в уравнение (13) и учитывая выражения потокосцеплений (11), получили величину электромагнитного момента ТВП:

(15)

В четвертом разделе исследована динамика параллельной работы нескольких каналов систем электроснабжения ЛА.

Подобная схема включения на примере четырех синхронных генераторовСГ1 - СГ4 представлена на рис.10

Параллельное включение синхронных генераторов осуществляется с помощью пассивного синхронизатора, принципиальная электрическая схема которого приведена на рис.11

При этом напряжение скольжения, представляющее собой огибающую амплитудных значений напряжений биения, определяется выражением:

.(16)

Рисунок 10 - Схема включения синхронных генераторов на параллельную работу

Рисунок 11 - Принципиальная электрическая схема пассивного синхронизатора

На рис.12 представлен график изменения напряжения двух генераторов различных уровнях несовпадения частот. На рис.13 представлена принципиальная электрическая схема работы АФР в режиме синхронизатора.

Рисунок 12 - Графики изменения результирующего напряжения двух генераторов при различных уровнях несовпадения частот

Рисунок 13 - Принципиальная схема работы АФР в режиме синхронизатора

Выводы и рекомендации